Воздушный винт уверенно перемещается с поршневых двигателей на турбовинтовые

Видеозапись катастрофы самолета Ил-112В, произошедшей 17 августа в Кубинке, и вскоре обнародованная информация о том, что причиной падения этого самолета стало возгорание правого двигателя с отказом системы флюгирования воздушного винта (ВВ), послужили поводом к написанию данного материала.
Прежде всего отметим, что на самолете Ил-112В стоят два турбовинтовых двигателя ТВ7-117СТ. Этот факт подтверждает, что Россия поддерживает тенденцию мирового авиастроения к расширению применения турбовинтовых силовых установок, и, следовательно, воздушных винтов.
В энциклопедии «Авиация» (издательство ЦАГИ, 1994 г.) сказано, что «воздушный винт — лопастный движитель для преобразования крутящего момента двигателя в тягу винта. Устанавливается на самолетах, винтокрылах, аэросанях, аппаратах на воздушной подушке, экранопланах и т. д.». Как видите, применение ВВ обширно.
Воздушные винты классифицируются:
по числу лопастей: с одной лопастью (применяются в моделях самолетов), двух-, трех-, четырех- и многолопастные;
по материалу изготовления: деревянные, металлические, смешанные;
по направлению вращения (если смотреть из кабины самолета по направлению полета): левого и правого вращения (летчики знают, что при взлете и посадке возникает сила, тянущая самолет в сторону, противоположную вращению винта);
по форме лопастей: обычные, саблевидные, лопатообразные;
по типам: фиксированного, неизменяемого и изменяемого шага (у винта фиксированного шага лопасти устанавливаются перед полетом под любым углом к плоскости вращения и фиксируются. Винт неизменяемого шага имеет лопасти, которые не могут вращаться вокруг своих осей. Винт изменяемого шага имеет лопасти, вращающиеся вокруг своих осей и устанавливающиеся под определенным углом);
на флюгируемые — угол установки у них меняется от 0 до 90° (флюгирование — поворот лопастей ВВ в положение, при котором минимизируется лобовое сопротивление в случае отказа двигателя).
Диаметр современных винтов колеблется от 2 до 5 м. Коэффициент полезного действия (КПД) ВВ достигает 0,8-0,9.
К примеру, эксплуатирующиеся в ДОСААФ самолеты Як-18Т и Як-52 имеют поршневые двигатели М-14П с винтами В530ТА-Д35 левого вращения, изменяемого шага с гидравлическим управлением, диаметром 2,4 м.
Тяга винта зависит от скорости полета. Не вдаваясь в подробности (например, математическое описание обтекания винта воздухом и пр.), приведем график зависимости тяги В530ТА-Д35 от скорости полета на высоте, равной 500 м. Если увеличивать скорость самолета, то тяга ВВ упадет до нуля и даже станет отрицательной. Это можно представить, если мысленно продолжить линию функции P(V) на графике вправо и вниз. Для недопущения вредной раскрутки винта и его возможного разрушения автоматика с ростом скорости уменьшает обороты двигателя. С увеличением высоты полета плотность воздуха уменьшается, и тяга винта и в этом случае падает.
Широкое применение нашли ВВ изменяемого шага (ВИШ). Основоположником теории ВИШ является наш соотечественник академик Владимир Петрович Ветчинкин (1888-1950 гг.). ВИШ, изменяя в полете шаг, дает возможность снимать с двигателя наивыгоднейшую мощность во всем диапазоне скоростей и обеспечивать при этом максимальный КПД. Винт В530ТА-Д35 представляет собой типичный ВИШ, в котором шаг меняется гидравликой. Так, при заходе на посадку она автоматически устанавливает в ВВ малый шаг.
Уже из этого «шапочного» знакомства с ВВ поршневых двигателей мы видим основной их недостаток: уменьшение тяги винта с увеличением скорости и высоты полета.
В конце 1930-х — начале 1940-х годов поршневые двигатели винтовых самолетов перестали обес­печивать рост тяги, как бы этому ни препятствовали конструкторы. Скорости на новых самолетах (особенно на истребителях) росли, а КПД винта падал.
Тогда-то на смену винтомоторным самолетам стали приходить самолеты с турбореактивными двигателями (ТРД). У них тяга с увеличением скорости и высоты росла. Именно это свойство ТРД обеспечило их распространение, но и эти двигатели не во всем удовлетворяли конструкторов, так как заказчики требовали все большего увеличения тяги при росте скоростей полета. Так появились ТРДФ (ТРД с форсажем), у которых между турбиной и реактивным соплом стали устанавливать форсажную камеру сгорания (она стала исключительной принадлежностью военных самолетов). В гражданском же самолетостроении (а позднее и в военном) для самолетов с большой дальностью полета стали строить турбореактивные двухконтурные двигатели (ТРДД). Отличие двухконтурного турбореактивного двигателя от ТРД заключается в наличии у ТРДД внутреннего и внешнего контуров. Проход воздуха по внешнему контуру дает дополнительную тягу. По просьбе военных заказчиков в ТРДД тоже стали устанавливать форсажные камеры. Так появились ТРДДФ.
В гражданской авиации дозвуковых скоростей ТРДД нашли широкое применение в виду их высокой экономичности и малошумности. Однако если увеличивать внешний контур в ТРДД, то его лобовое сопротивление растет, а экономичность падает. Поэтому, совершенствуя ТРДД, пришлось уменьшать их степень двухконтурности (отношение объема воздуха, проходящего в секунду через внешний контур к объему воздуха, проходящего через внутренний контур). Двигатель стал «худеть», хотя и сейчас даже неспециалисты легко отличают двухконтурный двигатель от одноконтурного по внешнему виду.
У всех рассмотренных выше ТРД имеется нечто общее — турбина, которая по сути тот же винт. Но к нему корректно применить уточняющее определение — «газовый», а не «воздушный». Турбина «спрятана» в корпусе двигателя. «Неспрятанные» воздушные винты — принадлежность турбовинтовых двигателей (ТВД). В них газовый поток после компрессора значительную часть своей энергии отдает турбине. Сила тяги струи газов в ТВД незначительна (10-15%), так как турбина почти всю свою энергию тратит на раскрутку ВВ. Экономичность ТВД выше, чем у реактивных двигателей. Недостаток — высокая шумность.
В 2020-е годы для перспективных самолетов местной авиации «Байкал» и обновленного Л-410, а также для учебно-тренировочного самолета Як-152 (если его не заменят на продемонстрированный в августе в Кубинке УТС-800), конструкторы планируют установить отечественные ТВД. Такие же планы и в региональной авиации, где на самолет Л-610 будут установлены два ТВ-117СТ (более 2000 л. с.), а на перспективный Ил-114-300 — два двигателя
ТВ-117СТ-01 по 2650 л. с.
Для местных и региональных перевозок применение ТВД — защита от высоких цен на топливо и, кроме того, эти двигатели не боятся встречи с пернатыми.
Шум у малых и средних ТВД пока выше порога, установленного международными нормами, но для местной и региональной авиации это не актуально.
Для магистральной авиации, где превалируют дальние и быстрые перелеты, в 2020-е годы будут применяться «Сухой Суперджет-100», МС-21 и российско-китайский­ перспективный CR929 c реактивными двигателями.
Снижение шума ВВ в ТВД — одна из проблем гражданского авиастроения. Она решается путем применения ВВ оптимального диаметра, саблевидных лопастей, увеличения их числа, заключения ВВ в аэродинамическое кольцо (импеллер), применения входного и выходного направляющего аппаратов (ВВ вентиляторного типа). Кстати, новый российский турбовентиляторный (разновидность ТВД) двигатель ПД-14 — экономичен и шумит на 10-20 децибел меньше международной нормы, но это тема для отдельного материала.
Для военного авиастроения проблема шумности связана разве что с созданием «невидимых» и «неслышимых» самолетов. Пока же Ту-95, названный в НАТО за шумность «медведем», летает уже 65 лет с четырьмя ТВД мощностью по 16 тысяч л. с. на сверхдальние расстояния, так как экономичность и КПД его винтовой силовой установки отечественного производства 1950-х годов не имеет равных.
Скоро мы будем свидетелями расширения внедрения в нашу местную, региональную и военно-транспортную авиацию экономичных и малошумных ТВД. Такова тенденция применения воздушных винтов в авиастроении.
Сергей Елисеев.